鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩地球化学特征研究*

强娟，曹红霞，张宪旭，韩小琴，吴海燕，尚婷

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安710075; 2.中煤科工集团西安研究院，陕西西安710077)

鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩地球化学特征研究*

强娟1，曹红霞1，张宪旭2，韩小琴1，吴海燕1，尚婷1

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安710075; 2.中煤科工集团西安研究院，陕西西安710077)

∶稀土元素分析是一种判别白云岩化流体来源，分析白云岩的形成环境的重要手段。鄂尔多斯盆地中东部白云岩以明显高的Fe含量和低的Na，Sr和Mn含量为特征，白云岩化流体主要为海水或与海水有关，未受或很少受到大气淡水的影响。稀土元素配分图显示所有白云岩样品的曲线形态类似，都呈轻稀土富集和重稀土亏损的右倾模式，且具有Eu负异常和Ce的负异常，δEu平均值为0.45，Ce的平均值为0.35，表明白云岩形成于相对偏碱性还原环境，又受到后期构造热液流体的影响和改造;三类白云岩的的模式都与泥微晶灰岩相近，也说明白云化流体与海水或海源流体相关;综合鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩地球化学特征可以判断出区内白云岩的形成环境是相对还原的碱性环境。

∶鄂尔多斯盆地中东部;稀土元素;海源流体;还原环境

Key words∶central and eastern part of Ordos Basin;rare earth element;marine fluid;reducing environment

0 引言

稀土元素通常作为一种示踪剂可以反映地球化学过程，可以通过分析稀土元素来研究岩石和沉积物的地球化学作用［1-3］。

自然界中的绝大部分流体(海水、大气水和地下水等)的REE量一般仅为10-12～10-10，这种低含量的REE，不能对原岩的稀土元素造成改变［4］。实验证明，要改变原岩的稀土元素含量只有只有成岩流体与岩石的体积比＞104［5］，因此，白云岩化后的成岩作用对白云岩的稀土元素组成及其地球化学特征影响作用不大，所以可以通过研究稀土元素特征，来研究白云岩化流体来源，分析白云岩的形成环境。

鄂尔多斯盆地地处华北台地的西部，奥陶纪末加里东运动使盆地整体抬升，造成下古生界碳酸盐岩地层出露地表，接受长达约1.5亿年的风化剥蚀以及大气淡水淋滤作用，形成了分布广泛的岩溶地貌，奥陶系马家沟组为内克拉通台地陆表海碳酸盐岩沉积，台地内发育碳酸盐岩沉积物间夹蒸发岩(硬石膏和盐岩)沉积。鄂尔多斯盆地中东部位于盆地岩溶斜坡部位，下古生界奥陶系具有良好的勘探开发前景。随着下古生界碳酸盐岩天然气勘探与开发的不断深入，已积累了部分研究资料，但是对下古生界奥陶系白云岩储层流体性质及成因环境等方面的研究程度尚未涉及，缺乏系统的、较成熟的研究成果［6-7］。

鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩是盆地重要的油气储集层，关于马家沟马家沟组白云岩的成因问题多年来一直是个热点话题，经过地质学家长期不懈的探索，提出了以下几种白云化机制∶准同生白云岩化［9-10］、混合水白云岩化［8-9］、埋藏白云岩化［11］、成岩白云岩化及热液白云岩化等［13］。

通过对鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩稀土元素地球化学特征分析对研究区白云岩化流体性质及其成因环境进行进一步的分析研究，进一步增加人们对鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩形成地质环境的认识，为该区域白云岩研究提供稀土元素地球化学参数，为该区天然气勘探提供有利的理论支持。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，根据盆地的地质演化史及构造特征，可以把盆地划分为伊盟隆起、伊陕斜坡、渭北隆起、晋西挠褶带、天环坳陷和西缘逆冲带6个构造单元(图1)，本文的研究范围位于鄂尔多斯盆地的中东部，研究区奥陶系马家沟组为内克拉通台地陆表海碳酸盐岩沉积，碳酸盐岩沉积物厚度变化较大从数百米到千余米，沉积物中夹硬石膏和盐岩等蒸发岩。

图1 研究区构造单元划分与位置图Fig.1 Division of tectonic units and sites in the study area

2 样品采集与测试方法

本次研究共选取马家沟组白云岩样品20块，样品均来自研究区钻井的新鲜岩心，采样时要避免污染，保证样品的纯洁。在分析之前，对所选样品进行了阴极发光和铸体薄片(茜素红染色)的镜下鉴定，对样品详细分类。选取样品用玛瑙研钵研磨并过200目筛后，用塑料样品袋包装，送西北大学大陆动力学实验室进行微量及稀土元素分析，每份样品重量保证大于等于10 g.

微量元素测定之前先进行样品分解，为了保证样品完全溶解，分解样品采用硝酸+氢氟酸+高氯酸敞开容器分解法与硝酸+氢氟酸密闭容器消解法相结合。这种方法与碱溶法相比不带入任何金属离子，同时氢氟酸和硝酸易于纯化，污染小，分析本底低，测定限低。稀土元素是在ICP-MS上测定的，实验中使用的仪器型号为美国ELAN6100DRC型电感偶合等离子质谱仪。

3 岩石学特征

对选取样品进行薄片鉴定，研究区马家沟组白云岩主要类型如下。

3.1 微晶白云岩

岩石主要由细粉晶级白云石组成，粒径在0.02～0.03 mm，较致密，大多数岩石孔隙不发育，局部见有溶蚀孔，微裂缝、压溶缝发育，被硅质矿物、泥岩等充填，孔隙连通性差，渗透率低。

3.2 亮晶白云岩

岩石成分主要为白云石、方解石，泥微晶结构;见构造缝，最宽达25μm，内充填方解石较完全。白云岩结晶较好的可达细晶结构。

3.3 泥晶白云岩

岩石主要由泥晶(＜0.005 mm)物质组成。泥晶粒径0.01～0.02 mm占25%，其余皆＜0.005 mm，它形，粒状物。见少量黄铁矿、伊利石及极少量硅质(＜5%)，裂缝充填物主要为方解石。

4 微量地球化学特征

微量元素中的Fe，Mn，Sr，Na可以用来判别碳酸岩成岩作用和成岩过程中流体特征。Mn，Fe元素在海洋环境中含量低，而在大气水成岩环境中强烈富集，Sr可以用来示踪海水及其派生流体特征，Na则可以反应出成岩流体的盐度［15］。

鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩微量元素测试结果见表1，主要表现出Fe含量比较高，Na，Sr和Mn含量低的特征。

现代海洋白云石中的Na，Sr含量比较高(加勒比、阿拉伯海湾、得克萨斯的现代海洋白云石Na含量达(3 000～10 000)×106)［14］，古代白云石Na含量较低仅有(900～1 000)×106［15］.研究区白云石的Na平均含量为205.60×106，不仅远远低于现代海洋白云石Na的含量，而且比古代白云石Na的含量还要低很多，这种低值不仅说明了白云石可能形成于盐度较低的海水，同时也可以看出白云岩在形成过程中受到淡水淋滤和埋藏的作用影响，自身的Na被成岩过程的流体带走，使得Na含量下降较多。研究区整体Na的变化不大，说明成岩作用对白云石的影响比较均匀。

在相对封闭的成岩体系中，水和岩石基本不发生作用，母体碳酸盐的矿物成分决定了微量元素的含量。一般来说Sr(600～5 000)×106含量较高的白云石是由含有高的Sr含量(10 000～80 000)×106的海相文石形成的。海相高镁方解石和低镁方解石Sr含量比较低(2 000～10 000)× 106，由它们所形成的白云石的Sr含量也比较低低(300～2 000)×106，而有很低的Sr含量的低镁方解石母体会形成Sr含量很低的白云石［15］。根据上述理论，研究区的白云石Sr含量很低(表1)，很可能是因为形成它们的母体是低镁方解石;成岩过程中淡水淋滤的发生，也可能把白云石中的Sr溶解到水中带走，造成岩石中Sr含量变低。

表1 马家沟组白云岩主微量元素含量Tab.1 Trace element content of dolom ites in the Majiagou formation(×10-6)

在碳酸盐岩成岩作用中其物质来源和孔隙水的氧化-还原电位决定了Fe和Mn的浓度。孔隙水处于还原环境，在还原环境中，成岩作用强度不断的增加，Fe，Mn在孔隙水溶液的含量也随之不断增大。海水处于氧化条件，因此Fe，Mn在海水中的含量比较低，现代海洋环境中，以文石为主的灰泥Fe含量较低，Mn的含量小于200×106.研究区白云岩Fe含量比较高(表1)，说明白云岩化发生在还原环境中，受到埋藏作用的影响;研究区Mn含量有些高于海相灰岩有些低于海相灰岩，高的Mn值说明白云化过程中有些受到了大气淡水的影响，低的Mn值说明白云岩化流体主要是海水流体或与海水有关的流体，未受或很少受到大气淡水的影响。

5 稀土元素地球化学特征

稀土元素(REE)配分模式能够反映白云岩化提供物质的来源信息，可用来判别白云岩化流体性质及形成环境。随着氧化还原环境的变化，物理化学条件也发生，Ce3+和Eu3+很容易随着环境的变化变价为难溶或者是易溶的离子，溶解于岩溶流体中或者是从岩溶流体中分馏出来，使得稀土元素含量出现异常，因此稀土元素特征研究是一种判断成岩环境的有利手段。探区内三类的白云岩REE测试结果见表2，利用球粒陨石和NASC (北美页岩)标准值分别对白云岩的稀土元素含量进行标准化，研究区三类白云岩配分模式，如图2所示。

从白云岩球粒陨石标准化图(图2(a))中可以看出，此次测得的所有白云岩样品的曲线形态类似，都呈轻稀土富集和重稀土亏损的右倾模式，且具有弱的Eu异常;在相对碱性温度较低的环境中，Eu3+被还原为Eu2+，Eu2+比较容易溶解在流体中，由于Eu3+电价改变和迁移作用的发生，使得岩石中的Eu的含量降低，造成了Eu负异常(δEu＜1);在温度较高或者是氧化环境中，Eu3+往往被氧化为Eu4+，Eu4+难溶解于流体，使得Eu的含量增加，表现出了Eu正异常(δEu＞1)，

图2(a)表明鄂尔多斯盆地中东部白云岩大多有些具弱-中等Eu负异常(平均值为0.45)，说明这些白云岩中的Eu3+被还原为易溶的Eu2+，使得Eu含量减少，反映出白云岩形成于相对偏碱性的还原环境。

表2 鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩稀土元素质量分数Tab.2 REE of dolom ites in the M ajiagou form ation of the central and eastren part of O rdos Basin(×10-6)

图2 马家沟组白云岩准化稀土元素配分图Fig.2 REE distribution of dolomites in the Majiagou Formation

不同来源的流体，稀土元素的含量不同，受到环境的影响不同，表现出的REE配分模式也不相同，因此可以对稀土元素配分模式形态进行研究分析，来推测流体的性质和物质来源。在北美页岩标准化配分图中(图2(b))，白云岩的REE配分模式都比较接近，说明些白云岩化流体具同源性。

Ce元素比较敏感，在氧化环境和还原环境中容易与其他三价的稀土元素发生分馏作用，在氧化环境中Ce3+变价为Ce4+，Ce4+很难与岩溶流体相溶，就会优先进入沉积物中，而岩溶流体由于Ce3+的变价转移，使得流体中的Ce的含量减少，就会表现出Ce的负异常，因此可以用Ce的负异常程度来反映岩溶流体受到氧化环境影响的程度。从表2和图2(b)可见，白云岩具Ce明显负异常(平均值0.35)，说明这类白云岩形成于相对还原环境，又受到后期构造热液流体的影响和改造。

图3 灰岩与白云岩球粒陨石标准化配分图Fig.3 REE distribution of limestones and dolomites in the Majiagou formation

泥晶灰岩受成岩蚀变小，可代表原始海水的相关信息，它可以用来表示白云岩形成时海水的特征，可以用它进行对比分析来判别白云岩的成因。从灰岩与白云岩球粒陨石配分图(图3)可以看出鄂尔多斯盆地中东部三类白云岩的的模式都与区内泥微晶灰岩相近，说明该区白云化流体与海水或海源流体相关。研究区微晶白云岩的稀土元素含量值高于泥晶灰岩稀土元素含量值(图3)，说明在白云岩化的过程中，稀土元素发生了迁移，使得稀土含量变低，白云岩化就是稀土元素发生转移含量变少的一个过程，白云岩中Mg/Ca值相对较高代表了白云岩化作用发生在偏碱性的环境，在相对碱性环境中稀土元素的更容易发生活化和迁移。研究区中亮晶白云岩和泥晶白云岩的稀土元素的含量相对于泥晶灰岩和微晶稀土稀土元素含量较高，说明在白云岩形成后又受到外来的岩溶流体的影响，把外界其他物质带到白云岩中，使得白云岩的稀土含量有所增加。而研究区白云岩受到流体影响后的模式依然和灰岩相近，说明了这种外来的岩溶流体与海水相关，受到海水的影响较大。

6 结论

1)鄂尔多斯盆地中东部白云岩可以分为亮晶白云岩，微晶白云岩和泥晶白云岩3类;

2)鄂尔多斯盆地中东部马家沟组白云岩Fe含量比较高，Na，Sr和Mn含量比较低，代表白云岩化流体主要为海水或与海水有关，白云化过程中未受或很少受到大气淡水的影响;

3)从稀土元素分析结果来看，白云岩稀土配分图都呈轻稀土富集和重稀土亏损的右倾模式，具有Eu和Ce负异常，说明白云岩形成于相对还原环境，又受到后期构造热液流体的影响和改造;

4)研究区三类白云岩的的稀土配分模式图与区内泥微晶灰岩相近，说明白云岩形成于相对还原环境，白云化流体与海水或海源流体相关。

总之，鄂尔多斯盆地中东部白云岩白云化作用流体主要是海水或海源流体，白云岩主要形成于相对还原的碱性环境。

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M ajiagou formation dolom ite geochem istry characteristics in the central and eastern part of Ordos Basin

QIANG Juan1，CAO Hong-xia1，ZHANG Xian-xu2，HAN Xiao-qin1，WU Hai-yan1，SHANG Ting1

(1.Research Institute of Yanchang Petroleum Group Co.，Ltd.，Xi’an 710075，China; 2.Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp，Xi’an 710077，China)

∶Rare earth elements as an importantmean is used to study the flow dolomitization origin and formation environment analysis of dolomite.The dolomite is characterized by significantly higher Fe content and lower Na，Sr and Mn contents in the central and eastern Erdos Basin.Dolomitization fluid is mainly concerned with sea water or seawater，without or little affected by atmospheric water.The REE distribution map shows all dolomite samples with similar curve shape，are light REE enrichment and heavy REE deficit rightmode with a negative anomaly of Eu and Ce，δEu average value is0.45，the average value of Ce is0.35，the dolomite formed in relatively alkaline environment，and affected by the late tectonic hydrothermal fluid and transformation;three types of dolomite patterns are similar to themicritic limestons，also shows that dolomitization fluid associated with seawater ormarine fluid.Synthesis Formation dolomite geochemistry of Ordos Basin in the central and eastern Majiagou can determine dolomite formed in relatively reduced alkaline environment.

∶P 595.5

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0312

∶1672-9315(2015)03-0344-06

∶2015-03-14责任编辑∶李克永

∶强娟(1981-)，女，陕西西安人，工程师，E-mail∶qj81107@163.com